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Decadal changes in the snow regime of High Mountain Asia, 1987-2016

Veränderungen in der Schnee-Regen-Bilanz auf dekadischen Zeitskalen im zentralasiatischen Hochgebirge (1987-2016)

  • More than a billion people rely on water from rivers sourced in High Mountain Asia (HMA), a significant portion of which is derived from snow and glacier melt. Rural communities are heavily dependent on the consistency of runoff, and are highly vulnerable to shifts in their local environment brought on by climate change. Despite this dependence, the impacts of climate change in HMA remain poorly constrained due to poor process understanding, complex terrain, and insufficiently dense in-situ measurements. HMA's glaciers contain more frozen water than any region outside of the poles. Their extensive retreat is a highly visible and much studied marker of regional and global climate change. However, in many catchments, snow and snowmelt represent a much larger fraction of the yearly water budget than glacial meltwaters. Despite their importance, climate-related changes in HMA's snow resources have not been well studied. Changes in the volume and distribution of snowpack have complex and extensive impacts on both local and globalMore than a billion people rely on water from rivers sourced in High Mountain Asia (HMA), a significant portion of which is derived from snow and glacier melt. Rural communities are heavily dependent on the consistency of runoff, and are highly vulnerable to shifts in their local environment brought on by climate change. Despite this dependence, the impacts of climate change in HMA remain poorly constrained due to poor process understanding, complex terrain, and insufficiently dense in-situ measurements. HMA's glaciers contain more frozen water than any region outside of the poles. Their extensive retreat is a highly visible and much studied marker of regional and global climate change. However, in many catchments, snow and snowmelt represent a much larger fraction of the yearly water budget than glacial meltwaters. Despite their importance, climate-related changes in HMA's snow resources have not been well studied. Changes in the volume and distribution of snowpack have complex and extensive impacts on both local and global climates. Eurasian snow cover has been shown to impact the strength and direction of the Indian Summer Monsoon -- which is responsible for much of the precipitation over the Indian Subcontinent -- by modulating earth-surface heating. Shifts in the timing of snowmelt have been shown to limit the productivity of major rangelands, reduce streamflow, modify sediment transport, and impact the spread of vector-borne diseases. However, a large-scale regional study of climate impacts on snow resources had yet to be undertaken. Passive Microwave (PM) remote sensing is a well-established empirical method of studying snow resources over large areas. Since 1987, there have been consistent daily global PM measurements which can be used to derive an estimate of snow depth, and hence snow-water equivalent (SWE) -- the amount of water stored in snowpack. The SWE estimation algorithms were originally developed for flat and even terrain -- such as the Russian and Canadian Arctic -- and have rarely been used in complex terrain such as HMA. This dissertation first examines factors present in HMA that could impact the reliability of SWE estimates. Forest cover, absolute snow depth, long-term average wind speeds, and hillslope angle were found to be the strongest controls on SWE measurement reliability. While forest density and snow depth are factors accounted for in modern SWE retrieval algorithms, wind speed and hillslope angle are not. Despite uncertainty in absolute SWE measurements and differences in the magnitude of SWE retrievals between sensors, single-instrument SWE time series were found to be internally consistent and suitable for trend analysis. Building on this finding, this dissertation tracks changes in SWE across HMA using a statistical decomposition technique. An aggregate decrease in SWE was found (10.6 mm/yr), despite large spatial and seasonal heterogeneities. Winter SWE increased in almost half of HMA, despite general negative trends throughout the rest of the year. The elevation distribution of these negative trends indicates that while changes in SWE have likely impacted glaciers in the region, climate change impacts on these two pieces of the cryosphere are somewhat distinct. Following the discussion of relative changes in SWE, this dissertation explores changes in the timing of the snowmelt season in HMA using a newly developed algorithm. The algorithm is shown to accurately track the onset and end of the snowmelt season (70% within 5 days of a control dataset, 89% within 10). Using a 29-year time series, changes in the onset, end, and duration of snowmelt are examined. While nearly the entirety of HMA has experienced an earlier end to the snowmelt season, large regions of HMA have seen a later start to the snowmelt season. Snowmelt periods have also decreased in almost all of HMA, indicating that the snowmelt season is generally shortening and ending earlier across HMA. By examining shifts in both the spatio-temporal distribution of SWE and the timing of the snowmelt season across HMA, we provide a detailed accounting of changes in HMA's snow resources. The overall trend in HMA is towards less SWE storage and a shorter snowmelt season. However, long-term and regional trends conceal distinct seasonal, temporal, and spatial heterogeneity, indicating that changes in snow resources are strongly controlled by local climate and topography, and that inter-annual variability plays a significant role in HMA's snow regime.show moreshow less
  • Mehr als eine Milliarde Menschen ist von Wasser aus Flüssen, welche im Hochgebirge Asiens (HA) entspringen, abhängig. Diese werden, im Wesentlichen durch Schmelzwasser von Schnee und Gletschern gespeist. Gemeinden auf dem Land sind im hohem Maße auf die Beständigkeit des Wasserabflusses angewiesen, und folglich stark anfällig für durch Klimawandel hervorgerufene Veränderungen der Umwelt auf regionaler Ebene. Der extensive Gletscherrückzug ist ein deutlich sichtbarer und weitgehend erforschter Marker für den Klimawandel auf regionaler und globaler Ebene. In vielen Einzugsgebieten machen jedoch Schnee und Schneeschmelzen einen sehr viel größeren Anteil des jährlichen Wasserbudgets aus also Gletscherschmelzwasser. Dennoch sind die klimaabhängigen Veränderungen auf Schneeressourcen im HA nicht ausreichend untersucht. Passive Mikrowellenradiometer (PM) basierte Fernerkundung ist eine etablierte empirische Methode zur Untersuchung von Schneeressourcen in weit ausgedehnten Gebieten. Seit 1987 wurden täglich konsistente PM Messungen aufMehr als eine Milliarde Menschen ist von Wasser aus Flüssen, welche im Hochgebirge Asiens (HA) entspringen, abhängig. Diese werden, im Wesentlichen durch Schmelzwasser von Schnee und Gletschern gespeist. Gemeinden auf dem Land sind im hohem Maße auf die Beständigkeit des Wasserabflusses angewiesen, und folglich stark anfällig für durch Klimawandel hervorgerufene Veränderungen der Umwelt auf regionaler Ebene. Der extensive Gletscherrückzug ist ein deutlich sichtbarer und weitgehend erforschter Marker für den Klimawandel auf regionaler und globaler Ebene. In vielen Einzugsgebieten machen jedoch Schnee und Schneeschmelzen einen sehr viel größeren Anteil des jährlichen Wasserbudgets aus also Gletscherschmelzwasser. Dennoch sind die klimaabhängigen Veränderungen auf Schneeressourcen im HA nicht ausreichend untersucht. Passive Mikrowellenradiometer (PM) basierte Fernerkundung ist eine etablierte empirische Methode zur Untersuchung von Schneeressourcen in weit ausgedehnten Gebieten. Seit 1987 wurden täglich konsistente PM Messungen auf globaler Ebene durchgeführt, die zur Abschätzung der Schneehöhe verwendet werden können, und folglich den Anteil des Wassers in der Schneemasse wiederspiegeln – das Schneewasser Äquivalent (SWE). In dieser Studie die lokalen Veränderungen des SWE über dem gesamten HA untersucht. Trotz großer räumlicher und saisonaler Heterogenität, wurde eine Gesamtverringerung des SWE (10,6 mm/yr) festgestellt. Im Winter jedoch hat das SWE in etwa 50% des HAs trotz der negativen Trends im restlichen Verlauf des Jahres zugenommen. Wie aus der Diskussion über die relativen Veränderungen im SWE hervorgeht, wird in dieser Studie mithilfe eines neuentwickelten Algorithmus die Untersuchung der Veränderungen des Zeitlichen einsetzen der Schneeschmelzperiode im HA. Während im nahezu gesamten Gebiet des HA das Ende Schneeschmelzsaison verfrüht einsetzt, so ist in der Hälfte des Gebietes der Begin dieser nach hinten verschoben. Die Schneeschmelzperioden haben im so gut wie gesamten Gebiet des HA abgenommen, was darauf hindeutet dass sich diese über dem gesamten HA generell verkürzt haben und frühzeitig beendet werden. Durch die Untersuchung der räumlich-zeitlichen Verteilung der Schneevolumens und des Schneeschmelzperioden im gesamten HA konnten wir eine lückenlose Bilanz der Veränderungen der Schneeressourcen im HA erstellen. Der allgemeine Trend zeigt eine geringere Speicherung des SWE und kürzere Schneeschmelzperioden im gesamten HA. Langfristige und regionale Trends überdecken jedoch verschiedene saisonale, temporäre und räumliche Heterogenität, was wiederum zeigt dass Veränderungen der Schneebedeckung stark von lokalem Klima und der Topographie abhängen, und dass jährliche Schwankungen zu einem erheblichen Anteil zum Schneeregime des HA beitragen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Taylor SmithORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407120
Advisor:Bodo Bookhagen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/02/01
Release Date:2018/02/20
Tag:Fernerkundung; Klimawandel; Schnee
climate change; remote sensing; snow
Pagenumber:xiii, 142
RVK - Regensburg Classification:UT 6180
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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